KOLMATACYJNE WŁASNOŚCI WYBRANYCH FRAKCJI OSADÓW SEDYMENTUJĄCYCH W ULICZNYCH WPUSTACH DESZCZOWYCH

Ekonomia i Środowisko (45) 013 Elżbieta Stachniewicz Marek Lebiedowski Tomasz Kiełbasa KOLMATACYJNE WŁASNOŚCI WYBRANYCH FRAKCJI OSADÓW SEDYMENTUJĄCYCH W ULICZNYCH WPUSTACH DESZCZOWYCH Elżbieta Stachniewicz, mgr inż. Politechnika Białostocka Marek Lebiedowski, prof. dr hab. inż. Politechnika Białostocka Tomasz Kiełbasa, mgr Politechnika Białostocka adres korespondencyjny: Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Systemów Inżynierii Środowiska ul. Wiejska 45B, 15-351 Białystok e-mail: estach@interia.pl COLMATAGE PROPERTIES OF SELECTED SEDIMENT FRACTIONS SEDIMENTING IN STREET RAIN DRAINAGE SUMMARY: The article presents the results of research into sediments, which were accumulated in septic drains rainwater drainage. The four entries were chosen from the catchment in the city of Bialystok, which have different ways of management and different types of supported area. The results of research show that the phenomenon of clogging filtration decreases the rate of water and infiltration. Occurring in the soil infiltration silting processes can become the cause of sealing the bottom of the reservoirs. KEY WORDS: silting-up, infiltartion, sediments, rainwater drains

170 Ekonomia i Środowisko (45) 013 Wstęp System kanalizacji jest zespołem obiektów i urządzeń technicznych, którego zadaniem jest odprowadzanie i unieszkodliwianie ścieków z jednostek osadniczych i zakładów przemysłowych. W miastach woda opadowa utrudnia transport kołowy oraz pieszy, a także niszczy nawierzchnię, dlatego podczas budowy nowych osiedli kanalizacja deszczowa jest jednym z podstawowych elementów uzbrojenia terenu. W systemie kanalizacji deszczowej osady ściekowe tworzą się w miejscach, gdzie przepływ ścieków umożliwia sedymentację najcięższych części stałych i częściowo zawiesin, czyli we wpustach ulicznych będących pierwszym elementem zespołu urządzeń stosowanych do oczyszczania ścieków opadowych. W osadach zatrzymywanych w ulicznych wpustach kanalizacji deszczowej występują głównie substancje mineralne, w których dominują: piasek, materiały ilaste, a także substancje pochodzące z procesów wietrzenia i erozji podłoża gruntowego. Jednakże jakościowy skład zanieczyszczeń niesionych przez opady jest bardzo indywidualny różny dla każdej zlewni. Dlatego, aby poznać ich właściwości, niezbędne jest prowadzenie badań spływów w każdej zlewni osobno. 1 Na podstawie badań osadów pochodzących ze zbiorników retencyjnych ścieków deszczowych, prowadzonych w ośrodku łódzkim, można wywnioskować, iż główne frakcje zawiesin mają charakter mineralny, a zawartość substancji organicznych wzrasta wraz z ilością frakcji drobnej. Analiza granulometryczna wskazuje, iż uziarnienie jest bardzo zróżnicowane w zależności od miejsca poboru próby z deszczowych osadników retencyjnych, na przykład ilość frakcji piaskowej o średnicy ziaren 0,05 mm wynosi od 9 do 61% na dopływie, a frakcje pyłowe o wymiarach 0,05 0,00 mm występują w streie odpływu i stanowią od 6 do 88%. W skład tej ostatniej grupy osadów można zaliczyć glinę, której właściwości kolmatacyjne znacząco obniżają iniltrację wód opadowych w zbiornikach retencyjnych. 3 1 R. Szymkiewicz, D. Gąsiorowski, Podstawy hydrologii dynamicznej, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 010; Ł. Bąk, Sz. Dąbkowski, J. Górski, Metoda prognozowania zamulenia zbiornika wodnego na podstawie pomiaru pojemności, www.itep.edu.pl [10-03-013]; E. Burszta- Adamiak, Zanieczyszczenia wód opadowych a urządzenia chłonne, Wodociągi i Kanalizacja 008 nr 4. M. Lebiedowski, S. Kościelski, M. Zawilski, Badanie efektów działania istniejących urządzeń oczyszczających ścieki opadowe. Badania izyczno-chemiczne osadów ze ścieków opadowych etap III, program rządowy PR-7-03.03.05.0, Łódź 1983. 3 P. Kowalik, Zarys izyki gruntów, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1973; W. Depczyński, Budownictwo wodne i fundamentowanie, PWRiL, Warszawa 196; B. Dobrzańska, G. Dobrzański, D. Kiełczewski, Ochrona środowiska przyrodniczego Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 008; J. Królikowska, A. Królikowski, Wody opadowe. Odprowadzanie, zagospodarowanie, podczyszczanie i wykorzystanie, Wyd. Seidel-Przywecki, Piaseczno 01; E. Burszta-Adamiak, J. Łomotowski, Badania oporu hydraulicznego warstwy zakolmatowanej podczas okresowej iniltracji wody do gruntu, Ochrona Środowiska 006 nr 1; M. Lebiedowski, S. Kościelski, M. Zawilski, Badanie efektów działania..., op. cit.; D. Śłyś, Retencja i iniltracja wód deszczowych, Oicyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 008; K. Garbarczyk, Wpływ składu ścieków deszczowych na zawartość zanieczyszczeń w osadach zatrzymywanych w ulicznych wpustach

Studia i materiały 171 Proces kolmatacji frakcji pyłowych ma również znaczący wpływ na ocenę spływów ze zlewni, na których przeważają grunty gliniaste. Zatrzymywanie zanieczyszczeń ze ścieków opadowych z tego typu obszarów zlewni, przy braku innych znaczących grup zanieczyszczeń, polega na wykorzystaniu procesu retencjonowania i mechanicznego iltrowania wody do podłoża naturalnego, względnie na wprowadzeniu do odbiorników naturalnych. Takie rozwiązania systemowe, wykorzystujące wstępną iniltrację wód deszczowych, ulegają jednak zablokowaniu w wyniku zjawiska kolmatacji, które prowadzi do stopniowego wzrostu oporów hydraulicznych w środowisku warstwy podłoża iltracyjnego i siły tarcia. Po kolmatacji z czasem współczynnik iltracji bardzo maleje. Metodyka i wyniki badań Przeprowadzone badania obejmowały w I etapie prace terenowe. W etapie II wykonano badania laboratoryjne. W etapie I przedmiotem przeprowadzonych badań były osady, które gromadziły się w osadnikach wpustów deszczowych kanalizacji deszczowej. Wytypowano do badań 4 wpusty ze zlewni na terenie miasta Białegostoku różniące się między sobą sposobem zagospodarowania, rodzajem obsługiwanej zlewni cząstkowej i intensywnością ruchu pojazdów na odwadnianym ciągu komunikacyjnym. Wszystkie wytypowane wpusty miały zbliżoną konstrukcję. Ich podstawę stanowiła część podziemna wykonana w formie studzienki z betonu oraz część nadziemna, na którą składała się żeliwna obudowa kraty otworu wlotowego wmontowana w płytę żelbetową oraz krata wlotowa. Standardowe wymiary kraty wlotowej wynosiły 40 x 60 cm. Głębokość wpustów mieściła się w zakresie 1,6 3 m. Wszystkie z wytypowanych wpustów wyposażone były w część osadową. Podczas wyboru lokalizacji wpustów do badań sugerowano się następującymi wytycznymi: sposobem zagospodarowania zlewni: 1 istnieniem zabudowy jednorodzinnej, obecnością zabudowy wielorodzinnej, 3 bliskością terenu rekreacyjnego, 4 bliskością terenu użyteczności publicznej; położeniem wpustu: na chodniku lub ścieżce rowerowej, na parkingu, drodze osiedlowej i w parku; intensywnością ruchu pojazdów kołowych na obszarze obsługiwanym przez wpust deszczowy. W pobieranych do badań osadach, zgodnie ze standardami, oznaczano: ciężar objętościowy z próby 0,0 dm 3 ; suchą pozostałość; pozostałość po prażeniu; deszczowych, XII Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu: Problemy gospodarki wodno-ściekowej w regionach rolniczo-przemysłowych, Monograie PAN 005 t. 30; W. Geiger, H. Dreiseitl, Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, Wyd. Projprzem-EKO, Bydgoszcz1999.

17 Ekonomia i Środowisko (45) 013 straty przy prażeniu; skład granulometryczny osadu wysuszonego oznaczając frakcje o średnicy: 0,5 mm; 0,5 mm; 0,1 mm z próby 100 - gramowej. Z każdego wpustu do badań pobrano po 5 prób. Wyniki badań osadów z wpustów deszczowych Wyniki badań zestawiono w tabelach 1-3. Tabela 1 Wyniki badań osadów z wpustów deszczowych Numer wpustu 1 Pl. Katyński ul. A. Grottgera 3 ul. Przemysłowa 4 Parking PB Badana objętość próbek osadu [dm 3 ] 0,0 Masa osadu [g] 18,09 36,59 36,81 33,58 Ciężar objętościowy [g/m 3 ] 904,67 189,34 1840,69 1678,76 Wartość minimalna 835 1705,3 1764,3 138,9 Wartość maksymalna 1041, 1964,0 191,0 1854,3 Tabela Wyniki badanych substancji mineralnych i organicznych osadów z wpustów deszczowych Numer wpustu 1 Pl. Katyński ul. A. Grottgera 3 ul. Przemysłowa 4 Parking PB Masa osadu [g] 0,1 0,07 0,16 0,00 Masa po suszeniu 1 h w 105 C [g] 14,36 14,66 15,14 15,04 Pozostałość mineralna po prażeniu 1 h w 550 C [g] 13,03 14,10 14,61 14,48 Sucha pozostałość [g] 14,36 14,66 15,14 15,04 Procent s.m. osadu surowego 71, 73 75,1 75,1 pozostałość po prażeniu (substancje mineralne), [g] 13,03 14,10 14,61 14,48 Procent substancji mineralnych w suchej masie osadu 91,0 96,3 96,6 96,4 Strata przy prażeniu (substancje organiczne) [g] 1,33 0,56 0,53 0,56 Procent s. m. osadu organicznego 9,0 3,7 3,4 3,6

Studia i materiały 173 Tabela 3 Wyniki badania procentowej zawartości poszczególnych frakcji ziarnistych w badanych osadach [%] Wymiar frakcji Numer wpustu 1 Pl. Katyński ul. A. Grottgera 3 ul. Przemysłowa 4 Parking PB > 1 mm 3, 43,0 39,8 18,9 1 0,5 mm 3,0 0,0 4,4 15, 0,5 0,5 mm 6,5 19,6 1,1 3,4 0,5 0,1 mm 3,3 13,9 11,8 9,7 < 0,1 mm 4,0 3,5,9 1,8 Rysunek 1 Wykres procentowej zawartości frakcji ziarnistych w badanych osadach Wyniki badań wskazują, że wszystkie osady miały głównie charakter mineralny. Ilość substancji mineralnych przekracza 90% suchej masy ogólnej osadu. Substancje organiczne stanowiły zaledwie 3,4 9,0% suchej masy osadu. Dowodzi to, że osady zalegające we wpustach były dobrze przepłukane, co następuje zawsze zwłaszcza w końcowej fazie spływu ścieków deszczowych. Frakcje ziarniste najdrobniejsze o średnicy poniżej 0,1 mm, mogące powodować zjawisko kolmatacji podłoża iltracyjnego zbiorników retencyjnych, występowały w zmiennych ilościach. Najwięcej ziaren o średnicy < 0,1 mm stwierdzono we wpuście 4 zlokalizowanym na parkingu PB. Przedstawione powyżej wyniki badań są wartościami uśrednionymi ustalonymi na podstawie 5 serii pomiarowych. Wyniki badań granulometrycznych osadów z wpustów w formie wykresu słupkowego zaprezentowano na rysunku 1.

174 Ekonomia i Środowisko (45) 013 Badanie dowiodło, iż osady z wpustów i 3 miały podobne zawartości frakcji, których przeważającą część stanowiły cząstki powyżej 1 mm. Frakcja drobna poniżej 0,1 mm w każdym z osadów stanowi niewielki procent masy - 3-4%, jedynie pyły z wpustu 4 zawierały 1,8% tych cząstek. Metodyka badań laboratoryjnych W celu wstępnego ustalenia wpływu frakcji zawiesin mniejszych od średnicy 0,1 mm na proces iniltracji i kolmatacji w II etapie badań wykonywanych w laboratorium sprawdzono wpływ zawiesiny gliny zwałowej jako materiału kolmatującego iltracyjne podłoże piaszczyste. Frakcje zawiesiny gliniastej są najłatwiej wypłukiwane i unoszone w strumieniu wodnym. Glinę do badań przygotowano i wysuszono w warunkach naturalnych, na słońcu, celem uzyskania jej w postaci drobnoziarnistego proszku. Jako podłoże warstwy iltracyjnej wykorzystano piasek drobnoziarnisty pylisty o uziarnieniu jednorodnym 0,4 mm. W kolejnym etapie przeprowadzono laboratoryjne badania procesu iltracji grawitacyjnej z wykorzystaniem kolumny iltracyjnej o średnicy wewnętrznej 40 mm (rysunek ). Kolumna iltracyjna zakończona była lejkiem ułożonym na porowatym dnie i iltrze składającym się z 100 mm warstwy piasku. Kolumnę napełniono do wysokości 300 mm wodą wodociągową i opróżniono ją w celu odpowietrzenia złoża iltracyjnego. Gdy złoże zostało odpowietrzone, Rysunek Szczegółowy schemat kolumny filtracyjnej

Studia i materiały 175 dopełniono kolumnę do stanu poprzedniego do wysokości 300 mm wodą i zmierzono czas opróżniania się iltra o wysokość 100 mm. Czynność tę powtórzono trzy razy. Następnie w drugiej fazie odważono 50 g sproszkowanej, wysuszonej gliny i podzielono ją na 10 równych części - po 5 g. Każdą z tych porcji rozpuszczono w dm 3 wody wodociągowej, uzyskując stężenie zawiesiny rzędu 1,5 g/dm 3. Kolumnę iltracyjną opróżniono do poziomu warstwy iltra piaskowego i kolejno dopełniano roztworem zawiesiny glinianej do poziomu 300 mm nad warstwą piasku. Mierzono za każdym razem czas opróżniania się iltra o wysokość 100 mm od poziomu 300 mm. Czynność tę powtórzono 10 razy. Następnie przygotowano jedenastą porcję zawiesiny i po opróżnieniu kolumny dopełniono ją do wysokości 300 mm nad warstwą złoża piaskowego. Zmierzono czas opróżniania się całej kolumny do poziomu warstwy piasku. Z uwagi na niewielką wydajność objętościową prowadzonego procesu iltrację zakończono po przeiltrowaniu przez złoże z przygotowanego piasku pylastego 156 cm 3 roztworu zawiesiny o średniej zawartości suchej masy gliny równej 15,7 g. W ostatniej fazie pomiaru przez złoże iltracyjne przepłynęło 4,71 g masy gliny. Analiza wyników badań laboratoryjnych W serii badań mierzono czas przepływu zawiesiny gliniastej przez złoże piaskowe. Na początku iltracji przepłukano złoże czystą wodą wodociągową w celu przygotowania go do dalszych badań. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 4. Całkowity, uśredniony czas iltracji wody wyniósł 1 minut i 50 sekund, średnie natężenie przepływu przez złoże 0,0959 cm 3 /s, a średnia prędkość iltracji 0,0076 cm/s. Następnie iltracji poddano 10 prób zawiesiny gliniastej. Próba numer 1 iltrowała się najszybciej przez iltr piaskowy, a próba numer 10 iltrowała się najdłużej. Czas iltracji kolejnych prób wydłużał się wraz ze wzrostem kumulacji zawiesiny gliniastej w warstwie podłoża piaskowego. Lp. Wysokość opróżnianej kolumny filtracyjnej Filtracja czystej wody wodociągowej Objętość filtratu [cm 3 ] Czas filtracji [s] Tabela 4 Pomiar czasu filtracji wody wodociągowej Natężenie przepływu [cm 3 /s] Prędkość filtracji [cm/s] 1 3 4 5 6 1 15,6 1 min 35 0,097 0,0077 100 mm 15,6 min 9 0,0945 0,0075 3 15,6 1 min 46 0,096 0,0076 Wartość średnia 100 mm 15,6 1 min 50 0,0959 0,0076

176 Ekonomia i Środowisko (45) 013 Tabela 5 Czas filtracji zawiesiny gliniastej przez złoże piaskowe Numer próby Objętość filtratu [cm 3 ] Czas filtracji [min i s] Filtracja zawiesiny Natężenie przepływu [cm 3 /s] Prędkość filtracji [cm/s] 1 3 4 5 1 15,6 min 3 s 0,099 0,0074 15,6 min 5 s 0,0915 0,0073 3 15,6 4 min 15 s 0,0863 0,0069 4 15,6 6 min 54 s 0,0778 0,006 5 15,6 8 min 8 s 0,0735 0,0058 6 15,6 36 min 19 s 0,0576 0,0046 7 15,6 45 min 33 s 0,0460 0,0036 8 15,6 5 min 6 s 0,0399 0,003 9 15,6 1 h 7 min 31 s 0,0310 0,005 10 15,6 1 h 6 min 1 s 0,043 0,0019 11 15,6 3 h 36 min 49 s 0,0097 0,0008 W ostatnim etapie przeiltrowano dodatkową próbę przez całkowitą wysokość kolumny (próba numer 11), której czas iltracji wyniósł 3 godziny, 36 minut i 49 sekund. Wyniki iltracji przez złoże piaskowe zawiesiny gliniastej zestawiono w tabeli 5. Omówienie wyników badań II etapu Współczynnik iniltracji obliczono na podstawie poniższego wzoru: K t g h h h t (1) gdzie: K współczynnik iniltracji [m/s], t czas iltracji [min], g przyspieszenie ziemskie (9,81 m/s), h wysokość napełnienia maksymalnego kolumny iltracyjnej (0,3 m), h t wysokość opróżnianej części kolumny iltracyjnej (0,1 m), h-h t różnica wysokości (0, m).

Studia i materiały 177 Wzór (1) na współczynnik iniltracji wynika z założenia, że średnia prędkość iltracji jest zmienna w czasie t i zależy od wysokości słupa cieczy nad warstwą iltracyjną h. Woda wycieka przez pory próbki iltracyjnej i wówczas powierzchnię iltrującą badanych próbek można przyjąć jako proporcjonalną do powierzchni kolumny iltrującej, a objętość iltratu spełnia warunek: KFv1 Fv 0 () Współczynnik K w równaniu () można uważać za potencjalnie równy współczynnikowi przesiąkania (iniltracji). W prowadzonych badaniach mierzony czas t jest niezbędny do opróżnienia kolumny iltracyjnej o zadaną wysokość h m, która pomnożona przez powierzchnię kolumny iltracyjnej F odpowiada objętości V iltratu otrzymanego w czasie t (rysunek ). Rozpatrując ten proces zgodnie z podstawami hydrauliki w różniczkowym czasie dt,objętość wypływającej wody wyniesie dv. Prędkość wypływu iltratu można przyjąć równą v 0. Sytuację tę można wówczas opisać następująco: dv Fv0dt (3) Ponieważ w wyniku kolmatacji powierzchnia podłoża ulega zmniejszeniu o wartość współczynnika kolmatacji K, to prędkość wypływu zmienia się z v 0 na v 1 dv KFV1dt W tym samym różniczkowym czasie dt odpływa z kolumny iltracyjnej taka sama objętość wody dv powodując zmianę wysokości napełnienia kolumny również z prędkością v 1, czyli: KFv1dt Fv0dt Przepływ wody przez kolumnę odbywa się pod wpływem siły grawitacji zgodnie z zależnością: v1 g h h t gdzie: g przyspieszenie ziemskie, h wysokość kolumny iltracyjnej, h t poziom słupa cieczy nad warstwą iltracyjną w chwili dt. (4) (5) (6) a więc lub KF KFv1dt Fv0dt KFv1 FV 0 h h Fv F h h Fv g t 0 v0 K g h h t t (7) (8) (9) (10)

178 Ekonomia i Środowisko (45) 013 Jeżeli prędkość iltracji V 0 można przedstawić równaniem różniczkowym jako dht, to z równania (10) otrzymamy równanie różniczkowe w postaci: dt dht K * dt gh h t (11) A po rozdzieleniu zmiennych: dh dt 1 t K g h ht (1) Po całkowaniu równania (1): t K g h ht C (13) Ponieważ gdy t = 0, h t = 0, to C K g t * K g Ostatecznie z powyższego można obliczyć współczynnik kolmatacji: K o Ki gdzie: Ko współczynnik iltracji czystego złoża [m/s], Ki współczynnik iltracji skolmatowanego złoża [m/s]. h h h h t (14) (15) (16) W tabeli 6 zestawiono, oprócz wartości skumulowanej masy zawiesin kolmatujących podłoże iltracyjne, obliczone współczynniki K i η. Zmianę współczynnika kolmatacji w funkcji czasu ilustruje rysunek 3. Wpływ masy zawiesin kolmatujących złoże na spadek iltracji przedstawiono na rysunku 4. Wraz z dodawaniem kolejnej dawki gliny powstawała coraz większa warstwa kolmatacyjna, powodująca wzrost współczynnika kolmatacji i wydłużenie czasu iltracji. Powodowało to jednocześnie zmniejszenie prędkości iltracji.

Studia i materiały 179 Lp. Objętość filtratu V [cm 3 ] Tabela 6 Współczynniki filtracji i kolmatacji filtra z piasku zawiesiną gliny Masa zawiesiny m [g] Czas filtracji t [s] filtracji K [m/s] Współczynnik kolmatacji η - 1 15,6 0,0 1310 0,000 1,00 15,6 1,6 135 0,000 1,03 3 51, 3,1 137 0,000 1,04 4 376,8 4,7 1455 0,0019 1,10 5 50,4 6,3 1614 0,0017 1,3 6 68,0 7,9 1708 0,0016 1,31 7 753,6 9,4 179 0,001 1,65 8 879, 11,0 733 0,0010,11 9 1004,8 1,6 3146 0,0009,38 10 1130,4 14,1 4051 0,0007 3,04 11 156,0 15,7 517 0,0005 4,00 Rysunek 3 Zmienność współczynnika kolmatacji w funkcji czasu filtracji

180 Ekonomia i Środowisko (45) 013 Rysunek 4 Zmienność współczynnika filtracji w funkcji masy zawiesin kolmatujących Podsumowanie Uszczelnienie gruntu, zwane kolmatacją, oraz wytworzenie na jego powierzchni błony mechaniczno-biologicznej występuje w czasie przepływu wody powierzchniowej przez złoże gruntowe. Wstępne wyniki badań wskazują, że w zbiornikach retencyjnych wód opadowych o zjawisku kolmatacji bardzo wyraźnie decydują najdrobniejsze frakcje zawiesin gliniasto-pyłowych, a w badanym przypadku < 0,1 mm. Wpływ potencjalnie zatrzymywanych zawiesin o uziarnieniu < 0,1 mm na wartość współczynnika kolmatacji i iniltracji można opisać zależnością logarytmiczną, względnie równaniem linii prostej. Na podstawie przedstawionych wyników należy stwierdzić, że zjawisko kolmatacji obniża prędkość iltracji wody przez iltr, a więc także iniltrację. Nieuwzględnianie procesów kolmatacyjnych zachodzących w podłożu iniltracyjnym może stać się główną przyczyną szybkiego uszczelnienia dna zbiorników retencyjnych. W badaniach, które będą kontynuowane, problem zjawiska kolmatacji będzie analizowany doświadczalnie z wykorzystaniem aparatury umożliwiającej segregację hydrauliczną drobnych frakcji zawiesin w skali półtechnicznej. Obecnie można stwierdzić, że tempo procesu kolmatacji dna zbiornika retencyjnego w warunkach środowiska naturalnego można określić na podstawie wieloletnich pomiarów odpływu gruntowego przy założeniu, że spadek przepływu jest tylko i wyłącznie efektem postępującej kolmatacji dna zbiornika. Artykuł powstał w ramach pracy statutowej S/WBiIŚ//011.